Vybrané metody ACh

1. Vybrané metody ACh SEPARAČNÍ METODY úvod

2. Úvod • Proč separace? • jen velmi málo chemických reakcí je natolik selektivních, aby umožnily důkaz či stanovení složky v kombinaci s jinými látkami • fyzikální veličiny, které jsou základem instrumentálních metod ( optických, elektrochemických) nejsou funkcí pouze jediné složky vzorku • je tedy nutno • izolovat stanovovanou složku od matrice • odstranit ze vzorku všechny rušivé složky • ve stopové analýze provést prekoncentraci stanovovaných složek • Této části analýzy je nutno věnovat minimálně stejnou pozornost a péči jako analytické koncovce

3. SEPARACE – oddělování látek ze směsi na základě: A -rozdílů ve vlastnostech fyzikální mechanické (vysévání, filtrace, sedimentace, mol. síta, ..) těkavost (destilace, sublimace, ..) rozpustnost (srážení rozpouštědly, krystalizace, zonální tavba, selektivní rozpouštění, ..) fázové dělení ( extrakce, GLC, LLC, SFE, ..) adsorpce (GSC, LSC, SPE, ..) absorpce (klasické metody analýzy plynů) chemické srážení maskování iontová výměna biologické afinitní chromatografie strukturní chirální separace

4. B - různé rychlosti migrace • přes polopropustné prostředí • (filtrace, ultrafiltrace, dialýza, reverzní osmóza, ..) • v silových polích • (elektromigrační metody, termodifúze, centrifugace a ultracentrifugace, tokové metody FFF, magnetické separace, ..) • kombinované • (elektrodialýza, elektroultrafiltrace, FFF, ..)

5. C – fázové přechody plyn-plyn (G-G) nereálné, plyny jsou neomezeně mísitelné plyn – kapalina (G-L) destilace, pěnové dělení, absorpce, GLC, .. plyn – pevná látka (G-S) sublimace, inkluzní sloučeniny plynů, separace na molekulových sítech, GSC, .. kapalina – kapalina (L-L) extrakce, LLC, GPC, .. kapalina – pevná látka (L-S) srážení, frakční krystalizace, zonální tavení, selektivní rozpouštění, separace na molekulových sítech, inkluzní sloučeniny, LSC, SPE, SPME, .. pevná látka – pevná látka (S-S) nereálné velmi pomalé děje superkritické kapaliny SFE, SFC

6. Chromatografické metody • plynová chromatografie GC • plynová rozdělovací chromatografie GLC • plynová adsorpční chromatografie GSC • GC na molekulových sítech GSC • kapalinová chromatografie LC • kapalinová rozdělovací chromatografie LLC • kapalinová adsorpční chromatografie LSC • gelová permeační chromatografie GPC • iontově výměnná chromatografie IEC • afinitní (spec. interakce biomolekul) • superkritická fluidní chromatografie SFC • adsorpční chromatografie Lze provádět v kolonovém uspořádání CC plošném (chromatografie na otevřených sloupcích) FBC papírová chromatografiePC , tenkovrstevná chromatografie TLC

7. Rozdělovací (distribuční) konstanta (koeficient) • definována na základě koncentrací (ne aktivit) • konstantou v oblasti nízkých koncentrací • při vyšších koncentracích lépe rovnováhu charakterizovat pomocí rozdělovací izotermy • v čitateli se uvádí koncentrace ve fázi, do které látka při separaci přechází • extrakce – koncentrace v organické fázi • ionexy – koncentrace v měničové fázi • adsorpce – koncentrace na povrchu adsorbentu • chromatografie – koncentrace ve stacionární fázi

8. Separační číslo(separační poměr, separační koeficient, retenční poměr, relativní těkavost ..) • Má-li dojít k dělení, musí se složky lišit hodnotami KD • vyšší hodnoty  usnadňují separaci • hodnota  však nevypovídá nic o tom, ve které fázi se separovaná složka bude nacházet • KD(A) = 8 KD(B) = 2 ……  = 4 látky v horní fázi • KD(A) = 0,8 KD(B) = 0,2 ……  = 4 látky v dolní fázi

9. Výtěžek separace složky (recovery) • podíl hmotnosti separované složky k celkové hmotnosti složky v celém systému • často se vyjadřuje v procentech R(A) .100 (%)

10. Dělení reálných vzorků • dělené látky mohou být přítomny • ve formě částic (kousky materiálu) • makromolekuly • komplexy • molekuly • ionty • vzorek je tvořen • samostatnou fází (pravý roztok, plyn) • dispergované fáze • suspenze (pevná fáze v kapalině) • kouř (pevná fáze v plynu) • emulze (kapičky kapaliny v jiné nemísitelné kapalině) • mlha (kapičky kapaliny v plynu) • aerosol (kapičky kapaliny a pevné částice v plynu)

11. dělící techniky • diskontinuální (extrakce, filtrace, ……) • kontinuální (chromatografické metody, kontinuální varianty diskontinuálních postupů,..) • frakcionační kapacita – maximální počet složek, které lze oddělit při jedné operaci • po extrakci lze rozdělit vzorek na dvě části – frakcionační kapacita = 2 • u kapilární GLC frakcionační kapacita = stovky • separační techniky volit podle typu vzorku a charakteru separovaných látek • mechanické dělení • makromolekuly • malé molekuly, atomy • těkavé x netěkavé, rozpustné x nerozpustné …….

12. matrice vzorku • obvykle hlavní komponenta (vodné, plynné, ) • mléko, krev, moč, odpadní a průmyslové vody • pro stanovení makrosložek (tuk, kasein,..) matrice voda • pro stanovení mikrokomponent (pesticidy, PCB,..) matrice mléko • čištění – odstraňování příměsí z matrice • prekoncentrace – odstraňování matrice

13. Klasická FFF • Princip: fyzikální pole působí napříč kanálu se dvěma rovnoběžnými stěnami (vzdálenost 0,05-0,1 mm) a tlačí částice k jedné ze stěn. Tím se vytvoří koncentrační gradient, který vyvolá difuzní tok v opačném směru. Po dosažení ustáleného stavu lze rozdělení solutu charakterizovat střední tloušťkou. V důsledku parabolického rozdělení rychlostí při laminárním toku jsou částice unášeny různou rychlostí podle vzdálenosti od stěny

14. Klasická FFF - techniky Podle použitého pole lze dělit: sedimentační (SFFF) polem je přirozená nebo umělá gravitace v centrifuze, kde změnou otáček lze programovat intenzitu- využívá se pro biologické aplikace termální (TFFF) principem je termální difuze. Kanál je mezi dvěma kovovými bloky s rozdílnou teplotou (20-100°C). Teplotní gradient lze programovat. Pro makromolekuly s hmotností 4000-70000. elektrická (EFFF) - kanál je tvořen semipermeabilními membránami a elektrické pole způsobí proud napříč kanálem – elektromigrace. Vhodná pro makromolekuly s malými rozdíly v mobilitách, ale lišícími se v difuzních vlastnostech (D) toková (FFFF) – nejuniverzálnější. Polem je tok rozpouštědla kolmo na tok v kanálu tlaková (PFFF) – tlakový spád magnetická

15. Permeační metody - filtrace • Dostupné jsou filtry o definovaném průměru pórů, které umožňují frakcionaci částic v plynulé řadě od nejhrubších suspenzí až po dělení makromolekul průměr pórů metoda použití 10-1 µm filtrace izolace buněk, fytoplanktonu, prachových částic, aerosolů 1-0,1 µm mikrofiltrace projasňování roztoků, bakterie (0,5-20 µm), velké viry (0,03-1 µm) příprava bezprašných rozpouštědel pro HPLC, sterilace roztoků bez zahřívání (v medicíně, pivo v plechovkách) pod 0,1 µm ultrafiltrace vylučovací hranice (molekuly s větším r jsou zadrženy) 0,1 µm mol. hmotnost 8,0 x 105 0,05 µm 3,0 x 105 0,02 µm 1,6 x 105 0,01 µm 6,0 x 104 0,005 µm 1,0 x 104

16. Membránové metody • Membrána – tenká bariéra, která obvykle odděluje dvě fluidní fáze. Pro účely separace je polopropustná (semipermeabilní), t.j. dovoluje transport jedněch složek a druhým v průniku brání • Lze si ji představit jako síť lineárních nebo rozvětvených řetězců, křížově spojených v různých bodech a naplněnou molekulami rozpouštědla a rozpuštěných látek • Zhotovují se z organických polymerů (celulóza a její estery, polyamidy, teflon, polymetakrylát, polyuretan) • iontově-výměnné membrány obsahují vhodné nabité skupiny • Jsou vyvíjeny i tepelně velmi odolné anorganické membrány na bázi oxidů Zr, Al, Si. • U polymerních filmů lze zajistit požadovanou tloušťku, velikost, tvar a distribuci pórů a tak získat membránu s požadovanými vlastnostmi

17. Difúze membránou • Difúze v kapalných i plynných systémech se řídí Fickovým zákonem • Pomocí semipermeabilních membrán lze oddělovat složky z roztoků nebo z plynných směsí podle velikosti molekuly

18. Reverzní (obrácená) osmóza • proces podobný ultrafiltraci. Membrána propouští jen malé molekuly (<500), tedy molekuly rozpouštědel. • z roztoku obsahujícího větší molekuly lze oddělit čisté rozpouštědlo. Pro dosažení dostatečné rychlosti je nutno aplikovat vysoké tlaky (desítky MPa). Slouží • pro zahuštění všech složek roztoku (odstraňování rozpouštědla) • k získání rozpouštědla (průmyslová regenerace, čištění odpadních vod, odsolování mořské vody)

19. Separace kontrolované universálními parametry

20. Zonální čištění(pásmové tavení, pásmová rafinace) • Rychlost posunu je určena rychlostí růstu krystalů a rychlostí difúze (0,3 – 3 cm/hod) • ve směru pohybu zóny se pohybují nečistoty, které snižují TT (převážná ětšina případů) • proti směru – izomorfní nečistoty s vyšší TT (TT směsi je vyšší než čistých látek) • kovy o čistotě 6N (99,9999mol%), organické látky 3N5 (99,95) – 4N (99,99mol%)

21. Vysolování a srážení Z homogenního roztoku lze vyloučit pevnou fázi: • vytěsněním (snižování rozpouštěcí schopnosti prostředí • vysolování (frakční vysolování) • srážení rozpouštědly • Srážení změnou pH • v kyselém prostředí nerozpustné kyseliny • v zásaditém hydroxidy a zásadité soli • Srážení nerozpustných sloučenin (součin rozpustnosti)

22. Čistota krystalických sraženin 1.Tvorba směsných krystalů (tuhých roztoků) – látky izomorfní (rozdíly < 10-15%) 2. Tvorba inklusních sloučenin mikrokomponenta se může spolusrážet i v případě, že její krystalová struktura je jiná než u makrokomponenty (nejsou izomorfní). Mikrokomponenta (host) je zabudována do krystalové mřížky makrokomponenty (hostitele). Existují tři typy: • Klatráty vznikají krystalizací z roztoku hostitele a hosta z rozpouštědla jehož molekuly se v hostiteli nemohou umístit. K uvolnění hosta z klatrátu je nutno rozrušit krystalovou strukturu hostitele (tavením, rozpuštěním). Tvorbou klatrátů s komplexními sloučeninami niklu lze odstranit thiofen z benzenu (benzenmonoamodikyanonikelnatý) nebo izomery antracen x fenantren, naftalen x difenyl (thiokyanatan-4-metylpyridinonikelnatý). Hostem mohou být i plyny (příprava v tlakových nádobách). Např. klatrát hydrochinon-argon obsahuje v teoretickém objemu 260ml1 mol argonu.

23. Čistota krystalických sraženin • Kanálové inkluzní sloučeniny. Krystaluje li močovina z rozpouštědla, vzniká volná mřížka. Krystalje-li v přítomnosti nerozvětveného uhlovodíku, dochází ke spirálovitému zatočení řetězců močoviny a vzniká tuhá látka s kanálky o průměru 5 A0. Kanálky prochází celou strukturou a délka molekuly není omezena. Molární poměr roste s délkou řetězce. Přítomnost síry v thiomočovině způsobí zvětšení kanálků na 8 A0 a vytváří inkluzní sloučeniny i s rozvětvenými a cyklickými uhlovodíky • Vrstevnaté (sendwichové) sloučeniny. Grafit, slída, jíly a podobné materiály mají vrstevnatou strukturu. Inkluzní sloučeniny vznikají difusí molekul hosta mezi vrstvy hostitele. Vzdálenosti mezi vrstvami se do jisté míry mohou přizpůsobovat molekule hosta. Na grafitu se např. zachycují chloridy vícemocných kovů ve vyšším mocenství

24. Krystalizace

25. Destilace Technika vhodná pro izolaci těkavých organických látek z kapalin či rozpustných podílů pevných vzorků od netěkavých látek • Podstata separace spočívá v dělení analytu mezi kapalnou směs a páry, které jsou v rovnováze s touto směsí. Těkavější podíly se koncentrují v parách, které zkondenzují. • Za předpokladu velmi nízké koncentrace org. látky ve vodě a ideálního chování plynné fáze • K = xi / yi = pj0 /i pi0 • xi , yi – molární zlomek látky i ve vodné a plynné fázi • pi0 , pj0 - tlak nasycených par látky i v čistém stavu při dané teplotě a teplotě varu (při destilaci za atmosferického tlaku je pj0 = atm. tlaku) • i - aktivitní koeficient látky i ve vodě

26. Jednoduchá destilace • Složení kondenzátu je totožné se složením par vypařovaných z povrchu • Minimální nároky na zařízení (varná baňka, chladič a nádoba na kondenzát) • Používá se • kde postačuje malá účinnost (oddělení těkavých látek od netěkavé matrice) • rozdělení na hrubé frakce (ropné produkty)

27. Destilace - azeotropní • mnoho směsí není ideálních a křivky teplota-složení prochází minimem (maximem) • Lze i využít • voda-etanol azeotrop 95% s tv=78°C • přidá li se benzen benzen-voda-etanol tv=65°C, 74% benzen, 18,5% etanol, 7,5% voda • potom benzen 65°C , nakonec absolutní etanol • průmyslově se přidávají aceton, metanol, k. octová a. j. při skupinovém děle ní uhlovodíků

28. Kodestilace (destilace s vodní parou) • Tenze par nemísitelných kapalin se sčítá • Dojde k vytvoření azeotropu, který má tv nižší než čisté rozpouštědlo • Složení lze vypočítat, pokud známe tenzi par uvažované látky při tv směsi s rozpouštědlem a její mol. hmotnost wA/wH2O = pA.MA/pH2O.18,016

29. Destilace za sníženého tlaku • Snížením tlaku, lze destilovat za nižší teploty (oxidace, rozklad, nežádoucí azeotropy ). Pozor na utajený var! • Za velmi nízkých tlaků – molekulární destilace • není definována tv • vzdálenost kondenzační plochy od hladiny menší, než střední volná dráha molekul • lze destilovat i vysokomolekulární látky

30. Frakční destilace (rektifikace) • Pro účinnější separace • Páry jsou v kontaktu s vracejícím se kondenzátem • Složení par i kondenzátu se při průchodu kolonou mění • Aparatura obsahuje frakcionační kolonu a zařízení pro kontrolu zpětného toku • Pro jednoduché směsi lze získat čisté složky • Využívány hlavně v organických syntetických laboratořích • Pro přípravu vzorků rotační kolony jako odpařováky pro izolaci těkavých látek • vůní • aroma

31. Rektifikace

32. Frakcionační kolony • Jednoduchá prázdná trubice • Vpichovaná (Vigreux) • Plněná kolona • Spirálky • kroužky • Kuličky • Skelná nebo křemenná vata • Patrové kolony

33. Frakcionační kolony II • Spirálové rotační kolony • Velmi rychle pracující rotační kolony (Např. kolony s rotující šroubovicí, těsně vyplňující kolonu) • Produkují kolem 30-300 teoretických pater podle konstrukce • Promíchávají plyn s kapalinou a roztírají směs po stěnách kolony • poskytují méně vedlejších produktů než standardní kolony • Mají velkou prostupnost, malou zádrž a tlakový spád

34. Vymrazování Pro koncentrování vodných roztoků těkavých a tepelně labilních látek • Univerzální (neselektivní) koncentrační metoda - minimální ztráty těkáním • Nutno zajistit kontakt mezi roztokem a povrchem ledu – míchání • Ztráty okluzí, adsorpcí a tvorbou bublinek v ledu • Koncentrační faktor 10 – 100 podle koncentrace solí • 2 litry lze koncentrovat na 40-50 ml za cca 9 hodin s výtěžkem 90 – 100%

35. Sublimace • Vhodné pro látky, které sublimují při rozumné teplotě • Velký povrch vzorku i kondenzační plochy • Tenze par při dané teplotě a tlaku • Silně závisí na matrici – obtížná optimalizace • Trvá relativně dlouho, ale za příznivých okolností získáme čistý extrakt, který nevyžaduje další čištění

36. Lyofilizace – mrazové sušení • Odstranění vody z kapalných vzorků vakuovou sublimací – zmenšení objemu • Vzorek zamrazen a vystaven vakuu • Voda sublimuje a kondenzuje na velkém povrchu silně chlazeného chladiče. • Ztráty těkavých látek –(kyseliny a báze lze převést na soli) • Pro stopové semitěkavé organické látky lze dosáhnout vysokých koncentračních faktorů • Dochází ke koncentraci všech anorganických látek – zasolený koncentrát

37. Extrakce tuhé fáze – selektivní rozpouštění • macerace- pevná fáze se rozmíchá za studena s rozpouštědlem a zfiltruje se • digesce – totéž za zvýšené teploty • perkolace – kontinuální přívod čistého rozpouštědla ke vzorku

38. Kapalinová extrakce • nejstarší a často používaná forma izolace látek z vody. • Jednoduchá, rychlá a volbou rozpouštědla a pH lze provádět i frakcionaci • Kapalinová extrakce se řídí Nernstovým rozdělovacím zákonem Di = ci,v / ci,o • z něho a hmotové bilance v systému lze vypočítat výtěžek jednotlivé extrakce (stupeň extrakce) E(%) = 100.Di / (Di + Vv/Vo)

39. Kapalinová extrakce • Pro výtěžek opakované extrakce En stejnými podíly rozpouštědla • Pokud chceme zjistit, kolika následnými extrakcemi dosáhneme požadovaného výtěžku extrakce En , lze n vypočítat

40. Kapalinová extrakce • Podle chování extrakčních systémů • systém se chová ideálně (je splněn Nernstův rozdělovací zákon a nedochází k chemickým reakcím mezi složkami) • všechny složky se chovají ideálně a jejich koncentrace lze vyjádřit pomocí rovnovážných konstant chemických reakcí • systémy, které se nechovají ideálně (není splněn rozdělovací zákon) Do prvních skupin většina organických látek a chelátů, do třetí skupiny soustavy iontových asociátů.

41. Extrakční soustavy • Extrakční systémy některých jednoduchých organických a anorganických molekul – nejjednodušší případ extrakce neutrálních organických látek a několika anorganických, které nejsou ve vodné fázi hydratovány a nepodléhají dalším rovnováhám (volné halogeny, síra, selen,některé oxidy v neutrálním prostředí OsO4, RuO4, inertní plyny He—Xe) • Extrakční systémy pseudomolekulárních látek a chelátů • Extrakční systémy iontových asociátů

42. Extrakce pseudomolekulárních látek • Extrahovatelnost slabé kyseliny roste s kyselostí prostředí- potlačena disociace • extrakce fenolů, acetylacetonu, ditizonu, slabých kyselin. • extrahovatelnost roste s velikostí molekuly (kys. mravenčí se chová jako minerální kyselina )

43. Extrakce pseudomolekulárních látek • extrahovatelnost slabé baze roste s alkalitou prostředí • deriváty pyridinu, chinolinu, amidy • silnou závislost extrahovatelnosti kyselin a bazí na pH lze využít pro dělení vícenásobnou extrakcí směsí z pufrované vodné fáze

44. Extrakce pseudomolekulárních látek

45. Extrakce chelátů

46. Extrakční rovnováhy chelátů

47. Extrakční rovnováhy chelátů • K´ – podmíněná extrakční konstanta • Neuvažujeme • hydrolýzu kovu ve vodné fázi • polymerace chelátu v org. fázi • při zvýšení koncentrace ligandu o řád, se posune křivka o jednotku pH do kyselejší oblasti

48. Extrakce chelátů • extrakce není ovlivňována koncentrací kovu • o extrahovatelnosti rozhoduje součin n.Ka • směrnice = n • Zvolíme li rozpouštědlo ve kterém se lépe rozpouští jak chelát tak ligand sníží se DM 10/102=0,1 100/1002=0,01

49. Extrakce chelátů • Bereme-li za počátek extrakce 1% a za konec 99%, odpovídá intervalu extrakce (-2  log D  2) hodnota 4/n jednotek pH, tedy • pro čtyřmocný ion 1 • pro dvojmocný 2 • pro jednomocný 4 jednotky pH

50. Teoretické extrakční křivky - závislost na n • strmost je závislá na počtu jednomocných ligandů vázaných na centrální ion • menší sklon křivky svědčí o konkurenčních reakcích • větší sklon znamená, že kationtová forma činidla přechází do org. fáze